Törésmechanika keménységmérésből? Miért ne?

Törésmechanika keménységmérésből? Miért ne?

Kerámiák törési szívósságának meghatározása műszerezett Nano-Vickers keménység­méréssel.

A kerámiákat egyre többet alkalmazzák az iparban – főként az elektronikában – jó hővezetésük, valamint jó elektromos szigetelő képességük miatt (pl. magnézium-oxid). Már most is elhanyagolhatatlan jelentőségűek, de német kutatók szerint a jövő technológiáiban kulcsfontosságú szerepet fognak betölteni a fejlesztések során.

A számítástechnika és elektronika fejlődésével lehetővé vált a műszaki eszközök méretének csökkentése (mobiltelefonok, laptopok, kamerák, stb.), melynek következtében jelentősen megnövekedtek a hűtéssel kapcsolatos problémák. Szűk helyen nehéz megoldani a ventillátoros hűtést, és a hűtőbordákat sem lehet egy ponton túl zsugorítani, mert nagymértékben csökken a hatásfok.

Ezért számottevően megnövekedett az igény a peltier használatára. A peltier modul egy olyan hűtés/fűtés funkcióra használható félvezető eszköz, mely feszültségvezérelt hőszivattyúként működik. A peltierek szemikonduktorait takaró hőátvivő elemek kerámiából készülnek. A kerámiára jellemző, hogy rideg, kis sűrűségű, kopásálló, kemény anyag.

Olyan elektronikai eszközöknél, ahol mozgásban van a termék – mobil eszköz, pl. járművekbe szerelt – fontos, hogy az ütődéseknek, rezgéseknek ellenálljon az elektronika mellett a peltier is. A kerámia ridegsége megköveteli a törésmechanikai vizsgálatokat a gyártás során, ugyanis egy hajszálrepedés is végzetes lehet rideg anyagok esetén.

Az anyagvizsgálatban a törési szívósság olyan anyagjellemző, mely megmutatja az anyag töréssel szembeni ellenálló képességét, amikor az repedést tartalmaz. A kerámiák tervezési folyamatában ez a legfontosabb anyagjellemző. Az anyag lineárisan rugalmas törési szívósságát a feszültség intenzitási faktorból határozzák meg, ott ahol egy vékony repedés az anyagban elkezd növekedni. Ezt az anyagjellemzőt KIC-vel jelöljük, mértékegysége Pa √m.

Számos módszer használatos a törési szívósság meghatározására kerámiák esetén. Ilyen például a műszerezett Nano-Vickers keménységmérés is. Vickers keménységmérés során a keletkezett lenyomat átlóinak lemérésével kapjuk a HV keménység értéket. Műszerezett keménységmérés esetén a mérőberendezéshez csatlakoztatott számítógép segítségével felvesszük a benyomódási görbét (erő-benyomódási mélység függvénye) is, melyből további anyagjellemzőket határozhatunk meg (pl.: folyáshatár, törési szívósság, diszlokáció-ötvöző kölcsönhatás dinamikus hatásai, szakítószilárdság).

Kerámia Vickers mérése során keletkezett lenyomat és repedés

Rideg anyagok Vickers mérése során a szabályos négyszög csúcsaiból repedések (Palmqvist-repedés) indulnak ki az átlóval egy vonalban, ezért törésmechanikai szempontból a Vickers benyomódásos módszer főként a repedés hosszúságának mérésén alapszik, melynek megvan az az előnye, hogy könnyen használható, azonban nem mérhető vele a kritikus repedésnövekedés, valamint nehéz megállapítani a repedés pontos hosszúságát.

Niihara és munkatársai a moszkvai Szilárdtestfizikai Kutatóintézetben úgy találták, hogy Palmqvist-repedések esetén a törési szívósság a következő összefüggéssel adható meg:

 

Ahol:

  • l = repedés hossza
  • a = a Vickers-nyom félátlója

A dinamikus keménységmérés során kapott terhelés-mélység görbéből EHV és a meghatározhatók, míg a nyom optikai vizsgálatával megkapjuk l értékét, így  a korábban bemutatott képlettel számítható.

 Vickers nyom körüli repedés felül és oldalnézetben

Megfelelő technikai háttérrel több ez a mérési eljárás, mint szimpla keménységmérés. Számos elvében és technológiájában is különböző mérési eljárások csoportja, melyet a roncsolásos anyagvizsgálatok közé sorolunk. A mérés gyors és egyszerű, használata könnyen megtanulható, automatizálható. Napjainkban számítógépes támogatással még több időt takaríthatunk meg. A technológia fejlődése lehetővé tette azt is, hogy a korábban jellemző szemrevételezéses vizsgálat hibázási lehetőségeit kiküszöböljék az automatikus kiértékeléssel. Továbbá fontos szempont az is, hogy a gyártási folyamatba jól beilleszthető eljárásról beszélünk.

 

Felhasznált források:

  1. http://gubicza.web.elte.hu/szilfizjegyzet/nanokemenyseg.pdf
  2. http://gubicza.web.elte.hu/szilfizjegyzet/nanokemenyseg.pdf
  3. https://bib.irb.hr/datoteka/300813.curkovic2.pdf
  4. http://gubicza.web.elte.hu/szilfizjegyzet/nanokemenyseg.pdf
  5. Tisza Miklós – Anyagvizsgálat, Miskolci Egyetem, 2001
  6. https://en.wikipedia.org/wiki/Fracture_toughness
  7. https://www.ceramtec.com/news/id/1846/expert-study-on-the-future-of-ceramic-materials/
  8. http://www.hestore.hu/hasznos_peltier.php